梦客直播app官方正版下载_梦客直播高品质美女在线视频互动社区_梦客直播官方版

深亞電子,中高端pcb設(shè)計(jì)、pcb制板、元器件選型、SMT貼裝一站式服務(wù)

PCB板加工廠:詳解阻抗匹配原理

  • 發(fā)布時(shí)間:2022-11-22 08:59:03
  • 瀏覽量:706
分享:

本文深亞電子主要詳解什么是阻抗匹配,首先介紹了輸入及輸出阻抗是什么,其次介紹了阻抗匹配的原理,最后闡述了阻抗匹配的應(yīng)用領(lǐng)域。

 

一、輸入阻抗

 

輸入阻抗是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個(gè)電壓源U,測量輸入端的電流I,則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個(gè)電阻的兩端,這個(gè)電阻的阻值,就是輸入阻抗。

 

輸入阻抗跟一個(gè)普通的電抗元件沒什么兩樣,它反映了對(duì)電流阻礙作用的大小。對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的電路,輸入阻抗越大,則對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕,因而就越容易驅(qū)動(dòng),也不會(huì)對(duì)信號(hào)源有影響;而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路,輸入阻抗越小,則對(duì)電流源的負(fù)載就越輕。因此,我們可以這樣認(rèn)為:如果是用電壓源來驅(qū)動(dòng)的,則輸入阻抗越大越好;如果是用電流源來驅(qū)動(dòng)的,則阻抗越小越好(注:只適合于低頻電路,在高頻電路中,還要考慮阻抗匹配問題),另外如果要獲取最大輸出功率時(shí),也要考慮 阻抗匹配問題

 

二、輸出阻抗

 

無論信號(hào)源或放大器還有電源,都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個(gè)信號(hào)源的內(nèi)阻。本來,對(duì)于一個(gè)理想的電壓源(包括電源),內(nèi)阻應(yīng)該為0,或理想電流源的阻抗應(yīng)當(dāng)為無窮大。但現(xiàn)實(shí)中的電壓源,則不能做到這一點(diǎn)。我們常用一個(gè)理想電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻r的方式來等效一個(gè)實(shí)際的電壓源。這個(gè)跟理想電壓源串聯(lián)的電阻r,就是(信號(hào)源/放大器輸出/電源)內(nèi)阻了。當(dāng)這個(gè)電壓源給負(fù)載供電時(shí),就會(huì)有電流 I 從這個(gè)負(fù)載上流過,并在這個(gè)電阻上產(chǎn)生 I×r 的電壓降。這將導(dǎo)致電源輸出電壓的下降,從而限制了最大輸出功率(關(guān)于為什么會(huì)限制最大輸出功率,請(qǐng)看后面的“阻抗匹配”一問)。同樣的,一個(gè)理想的電流源,輸出阻抗應(yīng)該是無窮大,但實(shí)際的電路是不可能的。

 

三、阻抗匹配

 

阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓源,總是有內(nèi)阻的,我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源,等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R,電源電動(dòng)勢為U,內(nèi)阻為r,那么我們可以計(jì)算出流過電阻R的電流為:I=U/(R+r),可以看出,負(fù)載電阻R越小,則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為:Uo=IR=U/[1+(r/R)],可以看出,負(fù)載電阻R越大,則輸出電壓Uo越高。再來計(jì)算一下電阻R消耗的功率為:

  

對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)源,其內(nèi)阻r是固定的,而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中[(R-r)2/R],當(dāng)R=r時(shí),[(R-r)2/R]可取得最小值0,這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)。即,當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí),負(fù)載可獲得最大輸出功率,這就是我們常說的阻抗匹配之一。此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí),結(jié)論有所改變,就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等,虛部互為相反數(shù),這叫做共扼匹配。在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線的匹配問題,只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況,因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長相對(duì)于傳輸線來說很長,傳輸線可以看成是“短線”,反射可以不考慮(可以這么理解:因?yàn)榫€短,即使反射回來,跟原信號(hào)還是一樣的)。從以上分析我們可以得出結(jié)論:如果我們需要輸出電流大,則選擇小的負(fù)載R;如果我們需要輸出電壓大,則選擇大的負(fù)載R;如果我們需要輸出功率最大,則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思,例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的,如果負(fù)載條件改變了,則可能達(dá)不到原來的性能,這時(shí)我們也會(huì)叫做阻抗失配。

 

在高頻電路中,我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí),則信號(hào)的波長就很短,當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時(shí),反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等(即不匹配)時(shí),在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法,牽涉到二階偏微分方程的求解,在這里我們不細(xì)說了,有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的,而與傳輸線的長度,以及信號(hào)的幅度、頻率等均無關(guān)。例如,常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Ω,而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300Ω的扁平平行線,這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見,用來做八木天線的饋線。因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω,所以300Ω的饋線將與其不能匹配。

 

實(shí)際中是如何解決這個(gè)問題的呢?不知道大家有沒有留意到,電視機(jī)的附件中,有一個(gè)300Ω到75Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器(一個(gè)塑料封裝的,一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東,大概有兩個(gè)大拇指那么大)。它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線變壓器,將300Ω的阻抗,變換成75Ω的,這樣就可以匹配起來了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是,特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念,它與傳輸線的長度無關(guān),也不能通過使用歐姆表來測量。影響特征電阻的因素有很多,比如倒顯得材料和導(dǎo)線與地板之間的距離。為了不產(chǎn)生反射,負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等,這就是傳輸線的阻抗匹配,如果阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果呢?如果不匹配,則會(huì)形成反射,能量傳遞不過去,降低效率;會(huì)在傳輸線上形成駐波(簡單的理解,就是有些地方信號(hào)強(qiáng),有些地方信號(hào)弱),導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低;功率發(fā)射不出去,甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí),會(huì)產(chǎn)生震蕩,輻射干擾等。

 

當(dāng)阻抗不匹配時(shí),有哪些辦法讓它匹配呢?第一,可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換,就像上面所說的電視機(jī)中的那個(gè)例子那樣。第二,可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法,這在調(diào)試射頻電路時(shí)常使用。第三,可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動(dòng)器的阻抗比較低,可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來跟傳輸線匹配,例如高速信號(hào)線,有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高,可以使用并聯(lián)電阻的方法,來跟傳輸線匹配,例如,485總線接收器,常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。(始端串聯(lián)匹配,終端并聯(lián)匹配)

 

為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問題,我來舉兩個(gè)例子:假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包。如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包,你打上去會(huì)感覺很舒服。但是,如果哪一天我把沙包做了手腳,例如,里面換成了鐵沙,你還是用以前的力打上去,你的手可能就會(huì)受不了了——這就是負(fù)載過重的情況,會(huì)產(chǎn)生很大的反彈力。相反,如果我把里面換成了很輕很輕的東西,你一出拳,則可能會(huì)撲空,手也可能會(huì)受不了——這就是負(fù)載過輕的情況。

 

四、阻抗匹配的原理

 

阻抗匹配的基本原理:

 

1、純電阻電路

在中學(xué)物理電學(xué)中曾講述這樣一個(gè)問題:把一個(gè)電阻為R的用電器,接在一個(gè)電動(dòng)勢為E、內(nèi)阻為r的電池組上,在什么條件下電源輸出的功率最大呢?當(dāng)外電阻等于內(nèi)電阻時(shí),電源對(duì)外電路輸出的功率最大,這就是純電阻電路的功率匹配。假如換成交流電路,同樣也必須滿足R=r這個(gè)條件電路才能匹配。

 

2、電抗電路

電抗電路要比純電阻電路復(fù)雜,電路中除了電阻外還有電容和電感。元件,并工作于低頻或高頻交流電路。在交流電路中,電阻、電容和電感對(duì)交流電的阻礙作用叫阻抗,用字母Z表示。其中,電容和電感對(duì)交流電的阻礙作用,分別稱為容抗及和感抗而。容抗和感抗的值除了與電容和電感本身大小有關(guān)之外,還與所工作的交流電的頻率有關(guān)。值得注意的是,在電抗電路中,電阻R,感抗而與容抗雙的值不能用簡單的算術(shù)相加,而常用阻抗三角形法來計(jì)算。因而電抗電路要做到匹配比純電阻電路要復(fù)雜一些,除了輸人和輸出電路中的電阻成分要求相等外,還要求電抗成分大小相等符號(hào)相反(共軛匹配);或者電阻成分和電抗成分均分別相等(無反射匹配)。這里指的電抗X即感抗XL和容抗XC之差(僅指串聯(lián)電路來講,若并聯(lián)電路則 計(jì)算更為復(fù)雜)。滿足上述條件即稱為阻抗匹配,負(fù)載即能得到最大的功率。

 

阻抗匹配的關(guān)鍵是前級(jí)的輸出阻抗與后級(jí)的輸人阻抗相等。而輸人阻抗與輸出阻抗廣泛 存在于各級(jí)電子電路、各類測量儀器及各種電子元器件中。那么什么是輸人阻抗和輸出阻抗呢?輸人阻抗是指電路對(duì)著信號(hào)源講的阻抗。所示的放大器,它的輸人阻抗就是去掉信號(hào)源E及內(nèi)電阻r時(shí),從AB兩端看進(jìn)去的等效阻抗。其值為Z=UI/I1, 即輸人電壓與輸人電流之比。對(duì)于信號(hào)源來講,放大器成為其負(fù)載。從數(shù)值上看,放大器的等效負(fù)載值即為輸人阻抗值。輸人阻抗值的大小,對(duì)于不同的電路要求不 一樣。

 

例如:萬用表中電壓擋的輸人阻抗(稱為電壓靈敏度)越高,對(duì)被測電路的分流就越小,測量誤差也就小。而電流擋的輸人阻抗越低,對(duì)被測電路的分壓就越 小,因而測量誤差也越小。對(duì)于功率放大器,當(dāng)信號(hào)源的輸出阻抗與放大電路的輸人阻抗相等時(shí)即稱阻抗匹配,這時(shí)放大電路就能在輸出端獲得最大功率。輸出阻抗 是指電路對(duì)著負(fù)載講的阻抗。如圖4中,將電路輸人端的電源短路,輸出端去掉負(fù)載后,從輸出端CD看進(jìn)去的等效阻抗稱為輸出阻抗。如果負(fù)載阻抗與輸出阻抗不相等,稱阻抗不匹配,負(fù)載就不能獲得最大的功率輸出。輸出電壓U2和輸出電流I2之 比即稱為輸出阻抗。輸出阻抗的大小視不同的電路有不同的要求。

 

例如:電壓源要求輸出阻抗要低,而電流源的輸出阻抗要高。對(duì)于放大電路來講,輸出阻抗的值表 示其承擔(dān)負(fù)載的能力。通常輸出阻抗小,承擔(dān)負(fù)載的能力就強(qiáng)。如果輸出阻抗與負(fù)載不能匹配時(shí),可加接變壓器或網(wǎng)絡(luò)電路來達(dá)到匹配。例如:晶體管放大器與揚(yáng)聲 器之間通常接有輸出變壓器,放大器的輸出阻抗與變壓器的初級(jí)阻抗相匹配,變壓器的次級(jí)阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗相匹配。而變壓器通過初次級(jí)繞組的匝數(shù)比來變換阻 抗比。在實(shí)際的電子電路中,常會(huì)遇到信號(hào)源與放大電路或放大電路與負(fù)載的阻抗不相等的情況,因而不能把它們直接相連。解決的辦法是在它們之間加人一個(gè)匹配 電路或匹配網(wǎng)絡(luò)。最后要說明一點(diǎn),阻抗匹配僅適用于電子電路。因?yàn)殡娮与娐分袀鬏數(shù)男盘?hào)功率本身較弱,需用匹配來提高輸出功率。而在電工電路中一般不考慮 匹配,否則會(huì)導(dǎo)致輸出電流過大,損壞用電器。

 

五、阻抗匹配的應(yīng)用

 

對(duì)于一般的高頻信號(hào)領(lǐng)域,比如時(shí)鐘信號(hào),總線信號(hào),甚至高達(dá)幾百兆的DDR信號(hào)等,一般器件的收發(fā)端的感抗和容抗都比較小,相對(duì)電阻(即阻抗中的實(shí)部) 來說可以忽略不記,這時(shí),阻抗匹配就只需要考慮實(shí)數(shù)部分就可以了。

 

在射頻領(lǐng)域,很多器件如天線,功放等其輸入輸出阻抗是非實(shí)數(shù)的(非純電阻),并且其虛部(容抗或者感抗) 很大以至于不可忽略,這時(shí)就要采用共軛匹配的方法。

THE END

免責(zé)聲明:部分文章信息來源于網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)友投稿,本網(wǎng)站只負(fù)責(zé)對(duì)文章進(jìn)行整理、排版、編輯,意為分享交流傳遞信息,并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容的真實(shí)性,如本站文章和轉(zhuǎn)稿涉及版權(quán)等問題,請(qǐng)作者在及時(shí)聯(lián)系本站,我們會(huì)盡快和您對(duì)接處理。

深亞PCB官方公眾號(hào)
Copyright ? 2024 pcbshenya.com 四川深亞電子科技有限公司 | 蜀ICP備19028794號(hào)-1
支付方式 :
深亞電子吉祥物
在線咨詢
小亞超人